用于在受控耕作环境中优化资源的有效使用的系统、方法和设备的制作方法

用于在受控耕作环境中优化资源的有效使用的系统、方法和设备的制作方法
【专利摘要】公开了一种用于在受控耕作环境中优化资源的有效使用的系统、方法和设备。基于多种植物的养分信息来控制对受控耕作环境的各种输入，其中，受控耕作环境包括多种植物。诸如来自电力公司的电费率信息的第三方信息可被系统访问，并且也可用来控制对耕作环境的输入。例如，如果电力公司提供激励或减少的费率以在某些时间段期间不使用电，则本发明的系统将发送信号到电气接口，以仅在除了某些时间段以外的时间对受控环境的光源供电，从而利用激励或减少的费率。
【专利说明】用于在受控耕作环境中优化资源的有效使用的系统、方法 和设备

【技术领域】
[0001] 本发明的实施例总体上涉及耕作技术，更具体地涉及用于在受控耕作环境中优化 资源的有效使用的系统、方法和设备，受控耕作环境包括但不限于水栽培系统。

【背景技术】
[0002] 在过去的年代，农场主完全依赖大自然供给其农作物的需求。任何植物的主要需 求是水和阳光。植物还需要某些养分，可经由植物根从土壤接收所述养分。农场主依赖雨 水提供水，依赖太阳提供光，并且依赖土壤中的养分满足农作物的养分需求。尽管指望大自 然提供这些资源的农场主节省了人工提供这些资源的成本，但这些农场主由于大自然的不 可预测的禀性而每年面对巨大的不确定性。
[0003] 随着耕作的进步，农场主已变得较少依赖大自然满足所有这些生物需求。随着人 工灌溉的出现，农场主开始控制由其农作物接收的水的量，而非完全依赖雨水。利用肥料， 农场主可以增加土壤中的养分的量。利用诸如植物生长灯的人工光，农场主可以提供光合 作用所需的光的量，而不管太阳的位置如何。
[0004] 因此，当耕作继续朝着完全人工环境前进时，在本领域需要一种在这些受控耕作 环境中优化资源的使用的系统、方法和设备。


【发明内容】

[0005] 因此，为了解决上述需要和缺点，本发明的各种实施例提供一种用于在受控耕作 环境中优化资源的有效使用的系统、方法和设备，受控耕作环境包括但不限于水栽培系统。
[0006] 在本发明的一个实施例中，公开了一种用于在受控环境中优化植物生长的系统， 该系统包括：控制器，其中，所述控制器具有与因特网的双向通信链路；阀，其中，所述阀被 远程地激活并与水源耦接；阀接口，提供从阀到控制器的通信链路；电源，其中，电源与一 个或多个光源耦接；以及电气接口，提供与电源和控制器的通信链路。控制器被配置为经由 双向通信链路从电力公司网站接收电力费率信息，或者经由双向通信链路从水务公司网站 接收水费率信息。阀接口可以包括从阀到控制器的无线或有线的通信链路。
[0007] 在本发明的另一个实施例中，公开了一种在受控环境中优化多种植物的植物生长 的方法。所述方法包括如下步骤：确定一种或多种植物的养分信息；确定受控环境中的输 入的当前水平；以及基于养分信息和输入的当前水平来调整对受控环境的输入。所述方法 还可以包括经由与诸如电力公司网站的第三方网站的双向通信链路来访问第三方输入信 息的步骤，其中，第三方输入信息可以包括电费率信息。
[0008] 确定养分信息可以包括：经由通信链路访问养分信息数据库，接收需光量，或接收 多种植物的需水量。调整步骤可以包括调度光源在一天的某些时间期间不工作。调整步骤 还可以包括改变水阀以在预定的时间或时间量期间给多种植物提供预定量的水。
[0009] 在本发明的又一个实施例中，公开一种用于在受控环境中优化植物生长的设备。 所述设备包括：至少一个处理器；以及至少一个存储器，包括计算机程序代码，所述至少一 个存储器和所述计算机程序代码被配置为，利用所述至少一个处理器使得所述设备至少： 确定一种或多种植物的养分信息；确定受控环境中的输入的当前水平；以及基于养分信息 和输入的当前水平来调整对受控环境的输入。
[0010] 本发明的其它实施例在对由光源提供给多种植物的光照进行调整时考虑C02的 价格。通过增加 C02,可以每天将光照水平从17摩尔降低到12摩尔。因此，降低光照量是 节省电力的价格，但是也呈现C02的成本的增加。所以，本发明的各种实施例基于电力和 C02的价格来动态地改变对环境的输入，以确定最佳的成本策略。
[0011] 在另一些实施例中，本发明可以包括可再生能量作为输入。由于各种可再生能量 的输出是可变的、因此是不可预测的，所以本发明的各种实施例可以被应用来调整对受控 环境的输入以解决这些可再生能源的变化。
[0012] 所述至少一个存储器和计算机程序代码还可以被配置为：利用所述至少一个处理 器使得所述设备经由与第三方网站的双向通信链路访问第三方输入信息。例如，响应于来 自电力公司网站的费率信息，所述设备在调整步骤中可以发送信号到电气接口，以调度光 源在一天的某些时间期间不工作，从而利用电力公司提供的激励或者仅仅在较低费率时间 段期间用电。此外，所述设备可以发送信号到阀接口，以调度受控环境在某些时间内用水。 本实施例和其它实施例中的设备可以包括能够控制受控耕作环境中的一个或多个输入的 控制器或任何其它装置。

【专利附图】

【附图说明】
[0013] 如此已在一般方面描述了本发明的实施例，现在将参照附图，附图未必按照比例 绘制，并且其中：
[0014] 图1示出根据本发明的各种实施例的系统。
[0015] 图2进一步示出根据本发明的实施例的系统。
[0016] 图3示出根据本发明的实施例的控制器。
[0017] 图4是示出根据本发明的实施例的方法的步骤的流程图。
[0018] 图5是示出根据本发明的特定实施例的与受控耕作环境中的用电有关的方法的 步骤的流程图。

【具体实施方式】
[0019] 现在将在以下参照附图更充分地描述本发明，其中示出本发明的一些实施例，而 非本发明的所有实施例。实际上，这些发明可被实现为许多不同形式，并且不应该被解释为 局限于这里阐述的实施例；相反地，提供这些实施例以使得本公开内容将满足可适用的法 律要求。相同的标号始终表示相同的元件。
[0020] 图1示出根据本发明的各种实施例的用于在受控耕作环境中优化资源的系统。系 统100包括下面在图3中详细地描述的控制器102。控制器102通信地耦合到与诸如因特 网104的局域网或广域网的双向或单向的通信链路。经由与因特网104的双向通信链路， 控制器102可以访问一个或多个网络位置，以获得用于本发明的各种实施例的养分信息和 费率信息，如在图2中更详细地描述的。
[0021] 系统100还包括阀接口 106和电气接口 110。阀接口 106与水阀108连接，并且在 一个实施例中，阀接口 106被配置为接收来自控制器102的信号，以操作用来打开水流或停 止水流到受控耕作环境100中的一种或多种植物。电气接口 110可以包括用于接收来自控 制器102的信号的任何类型的接口，或者在其他实施例中，电气接口 110可以包括用于接收 来自用户的输入进而控制光源112的用户接口。光源112可以包括用于在受控耕作环境中 提供光的任何装置或部件，其包括但不限于发光二极管或发光二极管的集合。
[0022] 控制器102可以与一个或多个传感器109通信地耦合，一个或多个传感器109可 以被配置为获得本发明的各种实施例所要求或所需的任何类型的信息。例如，非限制性地， 传感器109可以包括用来获得受控耕作环境中的C02水平的C02传感器，或者用来获得在 某一时间段期间由受控耕作环境中的一种或多种植物接收到的光或水的量的光传感器。这 些传感器还被配置为在从受控耕作环境获得信息之后将该信息存储在存储器306或任何 其他计算机可读存储介质中。在本发明的又一个实施例中，这些传感器还可以被配置为将 该信息发送到计算机终端或智能电话装置，以经由用户接口引起来自用户的输入。
[0023] 图2还示出根据本发明的实施例的系统的涉及可包括用于受控环境100中的植 物的费率或养分信息的网络位置的部分。如系统200所示，控制器102可以经由与因特网 104的双向（或单向）连接访问一个或多个网络位置。如图2所示，这些网络位置可以包 括电力公司网站202,该电力公司网站202可以提前一天发布用电的费率信息。作为另一 个示例，网络位置可以包括水务公司网站204,该水务公司网站204可以预先发布水费率信 息。本领域的技术人员将会认识到，在本发明的精神和范围内，除了电力公司网站202或水 务公司网站204以外，或者替代电力公司网站202或水务公司网站204,控制器102可以访 问多个其他网络位置以获得费率信息或养分信息。
[0024] 图3示出根据本发明的实施例的控制器。如图3所示，控制器102可以包括处理 电路302或者以其它方式与处理电路302通信，该处理电路302可被配置为执行根据本文 中描述的示例实施例的动作。根据本发明的示例实施例，处理电路302可以被配置为将信 号传送到阀接口 106或电气接口 110,执行数据处理、应用执行和/或其它处理和管理服务。 数据处理功能可以包括分析多种植物的养分信息、以及当前输入水平和费率信息，以确定 对受控环境的调整决定，例如，到电气接口 110的信号，以仅仅在某些时间段期间但以足够 的量对光源112进行供电，以满足多种植物的养分需要。
[0025] 在一些实施例中，控制器102或处理电路302可以被实施为芯片或芯片组。换句 话说，控制器102或处理电路302可以包括一个或多个物理封装（例如，芯片），一个或多个 物理封装包括位于结构组件（例如，基板）上的材料、部件和/或导线。结构组件可为它上 面所包括的部件电路提供物理强度、尺寸的节约和/或电气相互作用的限制。因此，在一些 情况下，控制器102或处理电路302可以被配置为在单个芯片上实现本发明的实施例，或者 将本发明的实施例实现为单个"片上系统"。如此，在一些情况下，芯片或芯片集可构成用于 执行用于提供这里描述的功能的一个或多个操作的设备。
[0026] 在示例实施例中，处理电路302可以包括处理器304和存储器306,处理器304和 存储器306可以与控制器接口 308通信，或以其它方式控制控制器接口 308。如此，处理电 路302可被实现为电路芯片（例如，集成电路芯片），该电路芯片被配置（例如，利用硬件、 软件或硬件和软件的组合）为执行这里描述的与受控耕作环境有关的操作。控制器接口 308可以包括用于能够与诸如阀接口 106、传感器109、电气接口 108和/或网络（例如，因 特网网络104)的其它装置通信的一个或多个接口机构。在一些情况下，这些接口机构可以 是被配置为从网络和/或与处理电路22通信的任何其它装置或模块接收数据和/或将数 据发送给网络和/或与处理电路22通信的任何其它装置或模块的任何设备，例如以硬件、 或硬件和软件的组合实现的装置或电路。在这个方面，控制器接口可包括例如天线（或多 个天线）和支持硬件和/或软件以便能够实现与无线通信网络的通信。
[0027] 在示例实施例中，存储器306可包括一个或多个非暂态存储装置（诸如，例如易失 性和/或非易失性存储器），一个或多个非暂态存储装置可以是固定的或可移动的（非限制 性地包括闪速EEPR0M存储器）。存储器306可被配置为存储信息（例如，非限制性地，根 据本发明的几个示例实施例的多种植物的光需求信息）、数据、应用、指令等，以便使得控制 器102能够执行根据本发明的示例实施例的各种功能。例如，存储器可被配置为缓冲用于 由处理器304执行的处理的输入数据。另外或者替代地，存储器可被配置为存储由处理器 执行的指令。在存储器的内容之中，应用可被存储以由处理器执行，以便执行与每个相应的 应用关联的功能。在一些情况下，存储器可经由用于在设备的部件之间传送信息的总线与 处理器通信。
[0028] 处理器304可被以许多不同方式来实现。例如，处理器可被实现为各种处理设备， 例如下面的设备中的一个或多个：微处理器或其它处理元件、协处理器、控制器或各种其它 计算或处理装置（包括集成电路，诸如例如ASIC (专用集成电路）、FPGA (现场可编程门阵 列）等）。在示例实施例中，处理器可被配置为执行存储在存储器306中的指令或处理器 可按照其它方式访问的指令。如此，无论是由硬件配置还是由硬件和软件的组合配置，处理 器可代表能够在被相应地配置的同时执行根据本发明的实施例的操作的实体（例如，以物 理方式实现于电路-具有处理电路22的形式）。因此，例如，当处理器被实现为ASIC、FPGA 等时，处理器可以是用于执行这里描述的操作的特定地配置的硬件。替代地，作为另一个例 子，当处理器被实现为软件指令的执行器时，指令可特定地配置处理器以执行这里描述的 操作。
[0029] 尽管以上结合图1-3描述了本发明的示例实施例，但现在参照图4-5提供从用户 的角度执行的操作的流程图。将会理解，流程图的每个块和流程图中的各个块的组合可由 包括各种设备（例如，硬件、固件、处理器、电路和/或与包括一个或多个计算机程序指令的 软件的执行关联的其它装置）的用户来执行。例如，由流程图示出的过程中的一个或多个 可由计算机程序指令实现。在这个方面，实现由流程图描述的过程的计算机程序指令可由 采用本发明的实施例的设备的存储装置存储并且由该设备中的处理器执行。
[0030] 将会理解，任何这种计算机程序指令可被加载到计算机或其它可编程设备（例 如，硬件）上以产生一台机器，以使得所获得的计算机或其它可编程设备提供在流程图块 中指定的功能的实现方式。这些计算机程序指令还可被存储在非暂态计算机可读存储器 中，非暂态计算机可读存储器可指示计算机或其它可编程设备以特定方式工作，使得存储 在计算机可读存储器中的指令产生一件制品，该制品的执行实现在流程图块中指定的功 能。计算机程序指令还可被加载到计算机或其它可编程设备上，使得在计算机或其它可编 程设备上执行一系列操作以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其它可编程设备上执 行的指令提供用于实现在流程图块中指定的功能的操作。
[0031] 因此，流程图的块支持用于执行指定的功能的设备的组合和用于执行指定的功能 的操作的组合。还将会理解，流程图的一个或多个块和流程图中的各个块的组合可以由执 行指定的功能的基于专用硬件的计算机系统、或专用硬件和计算机指令的组合来实现。
[0032] 图4是示出根据本发明的实施例的方法的步骤的流程图。方法400开始于步骤 402,并且前进以在步骤404确定一种或多种植物的养分信息。确定养分信息可以包括任 何数量的方法或处理以获得关于多种植物的需求的数据。例如并且非限制性地，确定养分 信息可以包括经由双向或单向通信链路访问计算机数据库、计算机文件（例如，Microsoft Excel文件）或因特网位置，以访问存储的养分信息。作为另一个例子，可经由用户接口预 先或实时地从用户输入养分信息。
[0033] 在任何示例中，该养分信息包括多种植物所需的数值或数量。这些数值之一可以 包括多种植物为了最佳生长所需的光量。例如，莴苣为了最佳生长每天需要17摩尔的光。 在24小时时间段内的任何更少的或更多的光将会导致减缓的生长或不适当地加快的生 长。因此，养分信息可以包括以摩尔为单位的所需的光量，其将会对应于植物为了最佳生长 每天所需的一定量的小时的光。
[0034] 在步骤406,方法400确定对受控环境的一种或多种输入的费率。如前所述，对受 控环境的这些输入可以包括在生长过程中植物所需的任何数量的输入。例如并且非限制性 地，这些输入可以包括光、C02水平、需水量或其它养分需求量。为了确定这些一个或多个 输入的费率，本发明的各种实施例可以访问网站、数据库、表或任何其它信息源，以获得一 种或多种输入的费率信息或激励信息。例如并且如图5中更详细地讨论的，步骤406可以 包括访问电力公司网站并且从电力公司网站获得关于一天中的最便宜的用电时间或在一 天或一年中的某些时间期间停止用电的可用激励的信息。本领域的技术人员将会理解，在 本发明的精神和范围内，该费率信息可包括任何数量的输入，并且还可以存储在任何数量 的位置中。
[0035] 在步骤408,方法400确定受控环境中的一个或多个输入的当前水平。为了确定当 前水平，本发明的各种实施例可以采用任何数量的传感器或其它信息采集装置，以获得关 于受控环境中的输入的当前水平的信息。这些传感器可以包括C02传感器、水传感器、光传 感器、包括关于各个输入的历史数据的计算机存储装置、或者可用来获得或访问关于受控 环境中的各种输入的信息的任何其它信息采集装置或系统。
[0036] 在步骤410,方法400基于养分信息和输入的当前水平来调整对受控环境的输入。 该调整步骤包括：本发明分析从步骤408接收到的数据，以及考虑当前水平和费率信息，从 而做出将会优化植物生长和在操作受控环境时引起的成本的任何调整。例如，如果多种植 物包括莴苣，并且在步骤406中，方法400确定存在从一天的上午8:00到下午1:00关断 电力的费率激励，则本发明可以通过控制器将信号发送到电气接口以从上午8:00到下午 1: 〇〇关断光源来调整对受控环境的输入，以利用该激励。因此，为了提供17摩尔给莴苣，本 发明可以经由控制器指示电气接口在除了上午8:00到下午1:00以外的任何时间对光源供 电，以在提供所需光给莴苣的同时利用该激励。本领域技术人员将会理解，该调整步骤可以 包括任何数量的动作，但是这些动作将确定如何在利用这些输入的最廉价的成本或与这些 输入有关的任何可用激励的同时提供所需的输入给多种植物。方法400在步骤412结束。
[0037] 如上所述，图5是示出根据本发明的特定实施例的与受控耕作环境中的用电有关 的方法的步骤的流程图。方法500开始于步骤502,并且前进以在步骤504访问电力公司网 站上的费率信息。该费率信息不仅可以包括用于在一天的某些时间期间用电的成本，而且 可以包括用于在一天的某些时间期间避免用电的激励信息。
[0038] 在步骤506,方法500确定为在预定的停电时间段期间使电源不工作而提供的激 励，例如，可以在前一天将该激励发布在电力公司网站上。在步骤508,方法500将信号发送 到电气接口，以在预定的时间段期间使光源不工作来利用该激励。为了确保多种植物仍接 收其每天的需光量，本发明可以经由控制器与电气接口通信以调度光源，从而使得光源仅 仅在激励的停电时间段之外的时间期间工作。只要在根据本发明的各种实施例的受控耕作 环境中种植植物，方法500就继续进行，并且方法500结束于步骤510。
[0039] 本发明的各种实施例提供许多优点，这些优点之一包括农场主的成本节省。通过 为农场主提供可实时地确定为其农作物的需求提供最廉价的时间的系统，采用本发明的农 场主将体验显著的成本节省，这不仅由于在资源最廉价时使用资源，而且由于在诸如电力 公司的资源提供者将确实补偿农场主不使用这些资源时的时间段期间使用资源。因此，本 发明提供这样的系统、方法和设备，通过该系统、方法和或设备，这些农场主在诸如水栽培 系统的受控环境中种植植物，将会看到他们的账本底线的直接增加。通过增加用于种植植 物的这种绿色技术的利润率，更多农场主将会被吸引到该产业，这又将会具有这样的效果： 更多的本地社区享受到可以从在其货架上具有本地产品而非从远距离运来的产品获得的 益处。
[0040] 本发明所属领域技术人员将会想到具有在前面的描述和关联附图中提供的教导 的益处的这里阐述的本发明的许多变型和其它实施例。因此，应该理解，本发明不限于公开 的具体实施例，并且变型和其它实施例旨在被包括在所附权利要求的范围内。虽然这里采 用了特定术语，但仅在一般的描述性意义上而不是为了限制的目的使用这些术语。
【权利要求】
1. 一种用于在受控环境中优化植物生长的系统，所述系统包括： 控制器，其中，所述控制器具有与因特网的双向通信链路； 阀，其中，所述阀被远程地激活并且与水源耦接； 阀接口，提供从阀到控制器的通信链路； 电源，其中，电源与一个或多个光源耦接；以及 电气接口，提供与电源和控制器的通信链路。
2. 根据权利要求1所述的系统，其中，控制器被配置为经由双向通信链路从电力公司 网站接收电力费率信息。
3. 根据权利要求1所述的系统，其中，控制器被配置为经由双向通信链路从水务公司 网站接收水费率信息。
4. 根据权利要求1所述的系统，其中，阀接口可包括从阀到控制器的无线通信链路。
5. 根据权利要求1所述的系统，其中，受控环境包括水栽培耕作系统。
6. -种用于在受控环境中优化多种植物的植物生长的方法，所述方法包括： 确定一种或多种植物的养分信息； 确定受控环境中的一种或多种输入的费率信息； 确定受控环境中的输入的当前水平；以及 基于养分信息和输入的当前水平来调整对受控环境的输入。
7. 根据权利要求6所述的方法，其中，确定费率信息还包括经由与第三方网站的双向 通信链路访问第三方输入信息。
8. 根据权利要求7所述的方法，其中，第三方输入信息包括电费率信息。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中，第三方网站包括电力公司网站。
10. 根据权利要求6所述的方法，其中，确定养分信息包括经由通信链路访问养分信息 数据库。
11. 根据权利要求6所述的方法，其中，确定养分信息包括接收需光量。
12. 根据权利要求6所述的方法，其中，确定养分信息包括接收多种植物的需水量。
13. 根据权利要求6所述的方法，其中，调整包括调度光源在一天的某些时间期间不工 作。
14. 根据权利要求6所述的方法，其中，调整包括改变水阀以在预定的时间期间给所述 多种植物提供预定量的水。
15. -种用于在受控环境中优化植物生长的设备，所述设备包括： 至少一个处理器；以及 至少一个存储器，包括计算机程序代码，所述至少一个存储器和计算机程序代码被配 置为利用所述至少一个处理器使得所述设备至少： 确定一种或多种植物的养分信息； 确定受控环境中的输入的当前水平；以及 基于养分信息和输入的当前水平来调整对受控环境的输入。
16. 根据权利要求15所述的设备，其中，所述至少一个存储器和计算机程序代码还被 配置为：利用所述至少一个处理器，使得所述设备经由与第三方网站的双向通信链路访问 第三方输入信息。
17. 根据权利要求15所述的设备，其中，所述至少一个存储器和计算机程序代码还被 配置为：利用至少一个处理器，使得所述设备在调整步骤中发送信号到电气接口，以调度光 源在一天的某些时间期间不工作。
18. 根据权利要求15所述的设备，其中，所述至少一个存储器和计算机程序代码还被 配置为：利用至少一个处理器，使得所述设备在调整步骤中发送信号到阀接口，以调度水阀 在一天的某些时间期间不工作。
19. 根据权利要求15所述的设备，其中，所述设备包括控制器。
20. 根据权利要求15所述的设备，其中，输入的当前水平可包括一个或多个可再生能 源的水平。
【文档编号】A01G31/02GK104066318SQ201280067922
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2012年6月19日 优先权日:2011年12月13日
【发明者】M·利奥塔 申请人:波德波尼克斯有限责任公司